1.2 行業普及： 中國製造2025和工業互聯網（2018）_風聞

去年夏天，被朋友約稿，説是要給各省經信委的工作人員出本書，後來朋友們時間和工作負擔都不夠，獨自趕着編稿，節奏沒跟上出版社工作流程，導致出書失利。後來非常畏懼正規出版社那麼多的流程和麻煩出版意願劇減。鑑於工業互聯網事業如火如荼，某認為稿件爛在電腦裏面，肯定沒價值。獨樂樂不如眾樂樂，決定在網上post出來和大家分享分享。正好最近剛買到觀察員的身份，沒想好要寫點啥帖子，先暑假期間，拿到觀察者網上曬曬。2019年中美貿易戰大熱，科技發展目測沒超出2018年的內容範圍，很開心拿出來給大家普及普及。我們生活在這個時代，也見證着這時代發生的變化。希望此係列能給觀察者網的好友們一定的知識鋪墊，有利於你們現在從事的事業和項目，更好的建設我國的製造業能力和國家能力。某在企業管理諮詢和企業信息化圈裏面浸淫多年，很樂意幫助有需要的讀者，若有問詢指教可以直接回復和私信。本稿本着天下文章一大抄，抄來抄去有提高的精神非百分百原創原撰。所以有見到相看似相識的段落，請勿為怪！

第一講 工業革命新時代 之

    第二節 國際工業的數字化轉型

從全球來看，美國和德國是兩個有着清晰的利用信息化技術推動工業和製造業發展戰略的兩個國家。美國先進製造發展戰略、德國“工業4.0”發展戰略均聚焦於推動工業互聯網發展，其產業聯盟是重要抓手。國外工業互聯網聯盟機構在推動信息技術與製造技術深度融合，促進工業數字化、互聯化、智能化的發展進程中起到推波助瀾的作用。下面先介紹十多年前學術界出現的新詞“信息物理系統Cyber-Physical System”，簡寫為CPS，也有翻譯成“賽博物理系統”的。

一、信息物理系統

2005年5月，美國國會要求美國科學院評估美國的技術競爭力，並提出維持和提高這種競爭力的建議。同年10月，基於此研究的報告《站在風暴之上》發表。2006年2月發佈的《美國競爭力計劃》把信息物理系統（CPS）當成最重要研究項目立項。2007年7月，美國總統科學技術顧問委員會贊助推出《挑戰下的領先——競爭世界中的信息技術研發》報告，報告羅列出8大關鍵的信息技術，其中CPS位列首位。2014年6月30，美國商業部下屬的國家標準技術局成立了信息物理系統公共工作組。該工作組聚集眾多科學家和工程技術專家學者來對信息物理系統的標準、特性、核心和框架給予定義和塑造。該工作組還對多個行業，諸如製造、運輸、能源、保健等領域，推廣和衍生出基於信息物理系統的核心和框架的各種行業應用系統。信息物理系統是計算進程和物理進程的交互網絡和統一體，是集成計算、通信與控制於一身的新一代信息化智能系統。信息物理系統通過人機交互接口實現和物理進程的交互，通過網絡化空間，可以遠程地、可靠地、實時地、安全地、協作地方式來操控物理實體。信息物理系統包含未來無處不在的環境感知、嵌入式計算、網絡通信和網絡控制等系統工程，這讓物理系統能具備計算、通信、精確控制、遠程協作和自治功能。信息物理系統強調計算資源與物理資源的緊密結合與協調。在環境感知的基礎上，通過可控、可信、可擴展的網絡；通過安全、可靠、實時的數字化計算；信息物理系統全面融合計算、通信和控制以及物理實體的操作；可以實現各種正負反饋的系統循環。隨着物理世界和信息世界的深度融合和實時交互，信息物理系統就能增加或擴展出截然不同，嶄新表現的新系統以及系統之上的系統。

信息物理系統涉及應用領域非常廣泛，可以包括智能電網水網、智能基礎設施、智能交通系統、新航天航空系統、建築氣候系統、城市環境系統、可穿戴人體增強、新醫療系統、智能製造生產等很多領域。如果説互聯網的普及給人類社會帶來翻天覆地的變化，那麼CPS的推廣和普及將強烈衝擊人類社會現狀，帶來前所未有的工業和社會革命。

CPS高度重視通信和網絡能力。在人們日常居家生活中的各種家電都具有控制功能，但大部分控制系統是封閉的獨立系統。從20世紀40年代美國麻省理工學院發明了數控技術開始，工業界已經廣為使用各種基於嵌入式計算機的工業控制系統，工業自動化早已成熟遍地開花。已有的某些工控網絡具有聯網和通信的基礎功能，但其內部總線基本都使用專業私有的工業控制總線，其通信距離很短，通信功能比較弱，網絡內部各個獨立的子系統或者説設備難以通過開放總線或者互聯網進行互聯。CPS把通信放在與計算和控制同等地位上，CPS強調的分佈式系統中物理設備之間的協調是離不開通信的。CPS網絡對內部設備的遠程協調、自治能力的要求，網絡控制對象的種類和數量規模，都遠遠超過現有的工控網絡。CPS將有形的機器設備聯網，連到互聯網，可以賦予機器設備計算、通信、精確控制、遠程協調和自治等五大功能。本質上説，CPS是具有互操作、自組織、實時交互、逐級控制，能實現某種社會或生產活動的智能網絡系統，可以通過微系統組織成大系統，大系統組織成巨系統。CPS將整個世界互聯起來，如同互聯網改變了人與人的互動一樣，CPS將會改變我們與物理世界的互動。

CPS不是物聯網。物聯網是在計算機互聯網的基礎上，利用RFID、無線數據通信等技術，把世界上各種實體物體連接起來的網絡。在這個網絡中，物體(產品)能夠彼此進行信息交換而無需人的干預。CPS對接入網絡的設備的計算能力的要求遠非射頻自動識別技術能比。以基於CPS的智能交通為例，雖然目前人們使用的汽車都嵌入眾多具有計算功能的微電子系統，但是這些嵌入式系統的計算能力還遠未達到CPS對汽車之間的協同能力的要求。物聯網中的物體（產品）大多不具備滿足控制和自治能力的海量計算能力，僅僅是實現少量數據交換而已。物聯網中的通信多是單向的從物品（產品）到服務器或者雲系統，物體（產品）之間並不存在協同操作。

CPS概念可以涵蓋從小到智能家庭網絡大到工業控制系統乃至智能交通系統等國家級甚至世界級的應用。這種涵蓋並不僅僅是將現有物理實體簡單地連接，還要催生出眾多具有計算、通信、控制、協同和自治性能的設備。下一代工業體系必然將建立在CPS之上。隨着CPS技術的發展和普及，使用計算機和網絡實現功能擴展的物理設備無處不在，必將推動工業產品和技術的升級換代，極大地提高汽車、航空、航天、國防、工業自動化、健康醫療、重大基礎設施等主要工業領域的競爭力。CPS不僅會催生出新的工業，甚至會重組合再造現有產業佈局。

CPS中的複雜網絡是應用創新前沿。複雜網絡在經歷多年的發展之後，目前正朝眾多應用領域前進。CPS的出現給複雜網絡領域的研究者帶來無限機遇。CPS最大的特點就在於它是由很多具有通信，計算和決策控制功能的設備組成的智能網絡，設備之間通過相互作用使得整個系統處於穩定可控狀態。大家如果記得，2018年央視春晚，出現過無人船航行表演【6】。裏面每一艘無人船航行中都要實時報出出自己的位置、航速、方向，同時必須接受領隊控制網絡的實時控制信息，做到實時協同加、減速、轉彎等操作。所有小艇行動一致，才能在水面上產生可控制的隊形和圖案，產生表演效果。在無人船控制領域，大規模多艇協同航行是公認的技術難題。類似的CPS系統設計可以應用於很多其他的應用場景。CPS智能交通系統中自主智能駕駛車輛之間，可以協同出最佳行車次序和路線，實時預判實現安全駕駛通過；電網系統中各個站點可以通過實時信息傳遞，同步實現動態負荷調整，避免大規模級聯故障出現。這些系統的運行過程都是複雜網絡的動力學過程實際展現。CPS運行過程必須要集合信息傳播、同步、博弈等多種複雜網絡的動力學過程。CPS的出現為複雜網絡研究提出巨大挑戰和多種課題，複雜網絡的理論研究也必將極大地推進CPS的研發和應用。

二、德國工業4.0

“工業4.0“最先的詳細解讀發佈於2013年4月的德國國家科學工程院——acatech的工業4.0工作小組的工作報告【32】。這個報告的名稱是“對於實施工業4.0戰略行動的建議——安定德國製造業的未來”。 大家一定要理解德國的工業4.0戰略行動的目標就是保證德國製造業在全球製造業發展中的領先地位和產業未來。“工業4.0”作為一個戰略行動的名稱，最早是在2011年舉行的漢諾威工業博覽會上，率先由德國政府推出的“高科技戰略2020行動計劃”項目提出的。項目團隊中的合作企業包括西門子、博世、大眾汽車、戴姆勒、漢莎航空等等，而研究機構就是神秘而又著名的“弗勞恩霍夫研究所”。弗勞恩霍夫研究所作為主導研究機構，參與了德國工業4.0戰略(2013年)的起草，並落實到其下屬的多項生產領域的研究中。德國學術界對於“工業4.0“的定義，就是第四次工業革命，是基於信息物理系統的第四次工業革命。

由於現代各種有線、無線通信技術的發展和更小更便攜的計算設備的廣泛應用，整個社會已經構建起了一個極為廣泛便利無處不在的信息化智能化的網絡基礎。整個社會的互聯網化和設備小型化，使得隨處計算已經成為生活中的現實。各種強大的工業嵌入式計算設備也通過有線或者無線的方式接入到企業內網或者互聯網，形成信息數字化空間和現實物理世界的交匯和聚合。現代信息通信技術使得信息世界和物理世界相互匯聚。以互聯網接入無處不在，小型化便攜個人設備廣泛可得，高計算存儲密度計算機迅速普及，新IPv659互聯網協議對巨量設備接入的支持為基礎，人類歷史前所未有的獲得一個機會，可以把人、物體、信息、各種客觀物體、生產資料通過有線或者無線互聯網絡連接起來。基礎工業和製造業能夠利用這種信息化技術能力來改善工業的方方面面，第四次工業技術革命就此誕生和發展。這是一個基於信息世界和物理世界互操作技術來推動的工業技術革命，德國學術界把這嶄新和即將來到的工業革命強行命名為“工業4.0”。

18世紀末，英國率先開動的蒸汽機和水力推動的紡織機械化工業革命被認為是第一次工業革命——“工業1.0”。“工業1.0”時代，人類發明出一種新的機械方法，能高效利用蒸汽能——煤燃燒後加熱水體蒸發轉換出的結果。此工業革命之前人類所能利用不過是人力畜力轉換的機械能。蒸汽動力帶動的機械生產使得機器變得越來越強大、越來越複雜、越來越高級。人類社會生產活動的規模遠遠超過前代。“工業1.0”深刻的改變和提高了人類社會工業生產的能力、規模和效率。

20世紀初，第二次全球工業革命在西方國家全面爆發，人類進入“工業2.0”時代——電氣時代。新科技在整個西方工業國家全面發展和興起，奠定了幾乎所有的重工業基礎。新工業產品層出不窮，諸如內燃機、燃氣輪機、發電機、交流電、煤化工、石油化工、鋼鐵、汽車、電報、電話等都是這個工業時代的產物。總裝線生產方式和電氣控制系統開始出現。工業界廣泛的利用電能來從事各種工業生產，工業生產出現大規模的分工，零部件和最終產品生產成功分離。在更大的規模和速率上，工業生產效率達到新的高度。

20世紀70年代，隨美國之後，德國日本都相繼發明出可編程邏輯控制器（PLC43）並在工業領域展開大規模的使用。與此同時，機械加工領域，尤其是在精密機牀和自動化機牀領域開始廣泛使用計算機數字控制系統（CNC10）。計算機技術和電子元器件技術的發展，推動了“工業3.0”——暨第三次工業革命的產生，發展和壯大。“工業3.0”的特點就是工業生產過程中廣泛的嵌入以微型計算機電路板控制線路為基礎的數字化技術，在更高水平的自動化生產中實現效率，質量和加工精度的全面提升。機械和機器不僅能取代傳統人類體力勞動，還在相當程度上取代人類獨有的，判斷和思考的腦力工作。

德國工業界對“工業4.0”能帶來的未來變化做出如下展望：

1）繼續保持德國製造業尤其是裝備製造業的領先地位。

2）改善德國製造業的工作環境，降低製造業工作的體力消耗，使得老弱勞動力可以充分就業。提供更高勞動生產率的同時，還能保證勞動者的個人尊嚴和生活時間，不用延長每日個體勞動時間。

3）工業品不再是千篇一律。消費者在產品生產週期和成本不增長的情況下可以廣泛地得到個性化的產品供應。

4）工業生產可呈現柔性化生產形態。單一生產線和生產設施能生產多型號和序列的最終產品。柔性化生產形態提高生產設施——資產的利用率，讓整個產業界更具經濟性，競爭力得到提高。

5）通過更全面的信息，企業信息化系統可以提供更快更準確的決策支撐，整個工業界可以更好的應對市場變化和全球經濟變化。

6）誘發新的商業模式，工業企業從交付產品轉化成交付服務、交付使用量和滿意度。“工業4.0”促進更廣泛的社會分工，改變社會組織形態，提供更多個體創新的空間和可能，甚至會導致新的工商業和公司制度出現，推動公司經營和管理變革。

德國工業4.0通過幾個階段而不斷發展。德國國家科學和工程院（acatech）發展和完善“工業4.0”這個概念後，德國科學界、工業界的聯合體與政治家一起，向德國聯邦政府建議在幾個特定的領域培育數字化。2015年4月，德國經濟技術部、教育研究部成為“工業4.0”平台的指導機構。而後更多企業、科技、工會組織也成為平台成員。

最終德國政府將工業4.0從一個項目，最終確立為國家級的工業4.0戰略。2015年3月，德國正式提出工業4.0的參考架構模型，它是德國“工業4.0”的頂層設計。這是一個三維模型，定義出“層、流、級”三個維度，分別是生產層、生命週期價值流、系統級。而在每一個維度上，都有相應的技術指南和標準。

德國工業4.0平台參考架構模型

“工業4.0”與平台經濟密切相關，最重要的關聯點就是智能工廠。在智能工廠中，整個生產流程和供應鏈可以虛擬化，而且高度柔性化。最極端的批量為1件產品。這些都由單獨的個人訂單所驅動。在智能工廠可以廣泛地生產智能產品，後者是高度互聯的物理實體、設備和機器，從而產生大量的數據。通過有意義的分析、解讀、連接和補充，這些數據可以重新定義，成為“智能數據”。基於這一點，企業不僅僅可以有效地控制、維護和提升智能產品，而且可以生成知識，從而作為“智能服務”的基礎。實際上，智能服務是全新的、定製化的服務，並且基於數據驅動的商務模式，從而提供了更多商業化的機會。

要提供智能服務，所有的機器、設施和工廠都必須通過數字化平台連接到互聯網上，而這個數字化平台就會逐漸演化成一個生態系統。這個生態系統有一個基本原則，那就是“即插即用”。通過數字服務平台，一個公司的服務就可以模塊化，與第三方的各種服務平台有機結合，共同對外來滿足用户的各種實時需求。在平台經濟或者服務驅動的商業模式下，單獨的供應商和其產品就不再是重點，重點都轉移到用户的個性化需求上。從工業生產的實例來看，一個壓縮機不再是出售空壓機，而是將“提供壓縮空氣”當作一種服務。這就打破了既有的商業模式，代表了一種新的範式轉換。高品質的產品供應商，將轉向搭建基於產品提供服務或者智能服務的系統。

三、美國工業互聯網

2012年，美國GE公司期望自己能夠轉型成為軟件業企業，首先提出工業互聯網——Industrial Internet of Things(IIOT)的概念。2014年3月，美國五家頂級企業作為主要代表，發起了工業互聯網聯盟——Industrial Internet Consortium（IIC)。這五家企業分別是GE、AT&T、IBM、Intel、思科，一開始由GE主導。在此之前，後四家通信、IT公司都有相關的物聯網概念提出，AT&T倡導“M2M”，IBM推出“智慧地球”，而思科打造了萬物互聯——Internet of Everything（IOE)。各家的概念不同，但願景一致，其發展方向不僅是像“工業4.0”那樣實現製造業的信息化和智能化，更是希望實現各產業整體的數字化轉型。IIC剛成立時主要成員集中在電信和IT領域，工業企業相對較少。到了2015年初，工業4.0平台中的西門子、博世、SAP加入了工業互聯網聯盟。IIC主要的工作目標是為物聯網制定標準，在2015年6月，發佈工業互聯網標準化的參考架構模型：美國工業互聯網參考架構——Industrial Internet ReferenceArchiteture (IIRA)版本1.7。IIRA是朝向物聯網工業部門開放、創新和蓬勃發展的技術開發生態系統邁出的第一步。工業互聯網是機器、物品、控制系統、信息系統、人之間互聯的網絡，為智能製造提供信息感知、傳輸、分析、反饋、控制支撐。對象管理組織——Object Management Group (OMG)管理美國工業互聯網聯盟。工業互聯網要實現技術創新、互聯互通、系統安全和產業提升均離不開標準化的引領。2017年1月底發佈了IIRA版本1.8，繼續為IIoT羣體提供技術或其它方面的有效的指導。

IIC發佈的IIRA包括商業視角、使用視角、功能視角和實現視角四個層級，並論述了系統安全、信息安全、彈性、互操作性、連接性、數據管理、高級數據分析、智能控制、動態組合九大系統特性。

美國工業互聯網參考架構

工業互聯網四層視角：

1、商業視角。從商業視角來看，在企業中建立工業互聯網系統之後，利益相關者的企業願景、價值觀和企業目標被更多聚焦。它進一步明確了工業互聯網系統如何通過映射基本的系統功能去達到既定目標。這些問題都是以企業為主體，特定的企業決策者、產品經理和系統工程師會對此產生興趣，如果將商業實現與複雜系統流程對接。

2、使用視角。使用視角指出系統預期使用的一些問題，它通常表示為涉及在最終實現其基本系統功能的人或邏輯用户活動序列。這些問題通常牽涉到系統工程師、產品經理和其他利益相關者，包括參與到工業互聯網系統規範制定和代表最終使用用户的人。

3、功能視角。功能視角聚焦工業互聯網系統裏的功能元件，包括他們的相互關係、結構、相互之間接口與交互，以及與環境外部的相互作用，來支撐整個系統的使用活動。該視角確定了商業、運營、信息、應用和控制五大功能領域，對系統組件建築師、開發商和集成商有強大的吸引力。

4、實現視角。實現視角主要關注功能部件之間通信方案與生命週期所需要的技術問題。這些功能部件通過活動來實現協調並支持系統能力。此視角所關注的問題與系統組件工程師、開發商、集成商和系統運營商有密切聯繫。

工業互聯網的系統特性：

1、系統安全。系統安全是系統運轉的主要核心問題，單個組件的安全不能保證整個系統的安全，缺乏系統行為預測前提下很難預警系統安全問題。

2、信息安全。為了解決工業互聯網中的安全、信任與隱私問題，必須保障系統端到端信息安全。

3、彈性。彈性系統需要有容錯、自我配置、自我修復、自我組織與計算的自主計算概念。

4、互操作性。工業互聯網系統由不同廠商和組織的不同組件裝配而成，這些組件需確保基於兼容通信協議的相互通信功能，基於共同概念模型互相交換與解釋信息，基於交互方期望在重組方式下相互作用。

5、連接性。無處不在的連接是工業互聯網系統運行的關鍵基礎技術之一，針對系統內的分佈式工業傳感器、控制器、設備、網關和其他子系統，有必要定義新的連接性功能層模型。

6、數據管理。工業互聯網系統數據管理包含涉及從使用角度考慮的任務角色和從功能角度看的功能功能組件的具體協調活動，如數據分析、發佈與訂閲、查詢、存儲與檢索、集成、描述和呈現、數據框架和權限管理。

7、高級數據分析。分析與先進的數據處理過程將來自傳感器的數據進行轉換與分析，從而提取能提供特定功能的有效信息，給運營商有見地的建議，支持實時業務與運營決策。

8、智能控制。智能控制提出相關的概念模型，並就如何建立智能彈性控制提出關鍵的概念。

9、動態組合。工業互聯網系統需要對各種來源的分散組件進行安全、穩定和可擴展組合。這些組合通常基於不同協議，提供可靠地端到端服務。

工業互聯網參考架構(IIRA)將現存的和新興的標準統一在相同的結構中，與此同時，IIC正建立垂直領域應用案例分類表，在參考架構下體系化推進應用。IIRA v1.8添加了一些新的實質性的內容，例如探討IIRA功能域如何映射到計算部署的連續空間，反映了IIoT架構中的最新的在邊緣計算方面的思考。作為確定IIoT系統內部和跨系統的互操作性需求和解決方案的基礎，支持產業垂直系統內部和跨產業的廣泛互操作性。美國工業互聯網的關注點與發力點比較注重軟件、雲計算、大數據等對於工業領域服務方式的顛覆，着力於工業互聯新型平台的研發投入和推廣，看重企業業務合作和資本佈局。

2016年3月，“工業4.0”平台和工業互聯網聯盟的代表在瑞士蘇黎世探討分別推出的工業4.0參考架構模型和工業互聯網參考架構的潛在一致性，從結果看，雙方對兩種模型的互補性達成共識，制訂確保可互操作的技術路線圖，並促成工業互聯網中標準化、架構和業務成果方面的若干合作，為更多國家和企業融入工業互聯網生態圈鋪平道路。同時，雙方聯合成立非正式工作組，該工作組將維續致力於探索“工業4.0”平台和工業互聯網聯盟之間協調合作的可能性與主要方向。

“工業4.0”是以生產車間為核心的信息化革命，工廠的數字化和智能化是產業升級的核心部分，互聯網、大數據、雲計算、以及大眾消費市場的服務，都處於體系的邊緣位置。德國“工業4.0”主要關注的是複雜生產場景中的工業自動化、軟/硬件的融合和內部信息系統的智能化。“工業4.0”更關注工廠內部的製造環節，對大數據和互聯網並不特別關注。美國工業互聯網從信息系統出發，去觸動產業鏈整體的智能化。工業互聯網意在通過提供互聯網上的計算服務，提升傳統工業企業的IT和軟件實力，在面向工業領域企業的服務中獲取價值，並實現產業升級。工業互聯網中的IT企業通常會從自身擅長的互聯網、雲計算等信息技術領域入手，將大數據和人工智能注入進工業領域的企業系統中，觸發產業創新和升級。工業互聯網的主旨是提供信息化服務，與工業結合並創造價值。德國的“工業4.0”和美國的工業互聯網各有優勢和短板，整體架構之間有一定的映射關係。“工業4.0”鑽研的是製造業的價值鏈重構，工業互聯網則聚焦在跨領域的工業互聯服務。 

點評下，德國人還像二戰時候一樣的缺謀略，美國人對產業研究有更獨到的見解！從中國人的角度看，“小孩子才做選擇題，成年人當然是全都要”。

下一節是 “第三節 中國製造2025，向先進製造業前進”